粉煤灰混凝土配合比设计及应用样本.docx

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粉煤灰混凝土配合比设计及应用样本

粉煤灰混凝土配合比设计及应用

摘要：

混凝土中掺适量粉煤灰，能改进混凝土性能，减少工程成本。

重点探讨不同品质粉煤灰在取代或超代水泥配制混凝土原材料选取，粉煤灰混凝土配合比设计及施工注意事项。

列出不同强度级别规定粉煤灰混凝土与普通混凝土参照配合比。

核心词：

粉煤灰；混凝土；配合比设计；施工注意事项；原材料选取

   混凝土中掺人适量粉煤灰，既可减少工程施工成本，改进混凝土和易性、可泵性，增长混凝土黏性，减少混凝土离析与泌水，又可使混凝土凝结时间相对延长，坍落度损失减小，减少水化热，减少或消除混凝土中碱集料反映危害。

但也存在粉煤灰品质波动大，混凝土初期强度偏低缺陷。

若在配合比设计时，对原材料、粉煤灰取代率及超掺量系数作对的选取，其混凝土能满足设计施工规定。

本文阐述桥梁构造中C25灌注桩、承台，C30墩帽及墩身，C40、C50后张法预应力混凝土箱梁粉煤灰混凝土配合比设计，原材料选取及施工注意事项。

1原材料

（1）粉煤灰：

用于混凝土粉煤灰按其品质分为I、Ⅱ、Ⅲ3个级别，重要技术指标见表1。

   桥梁构造混凝土配合比设计时，选取I、Ⅱ级粉煤灰，其中I级灰用于强度不不大于40MPa混凝土，Ⅱ级灰用于混凝土强度级别不大于C30桩基、承台、立柱、墩台帽工程。

   粉煤灰活性：

粉煤灰越细，比表面积越大，粉煤灰活性就越容易被激发，因而，所用粉煤灰越细，混凝土初期强度越高、耐久性越好。

   粉煤灰烧失量对需水性影响明显，随粉煤灰烧失量增长，粉煤灰需水量增长，当烧失量不不大于10%时，粉煤灰对流动扩展度无有利作用；粉煤灰含碳量增高，烧失量增大，在混凝土搅拌、运送、成型过程，粉煤灰更容易浮到表面，影响混凝土外观与内在质量。

此外，由于烧失量增大，还会减少减水剂使用效果。

   需水量与粉煤灰细度、烧失量也有一定关系，普通来说粉煤灰需水量越小，对混凝土性能越有利。

粉煤灰越细，需水量越小；烧失量越大，需水量也越大。

因此粉煤灰需水量指标可以综合反映出粉煤灰性能。

    含水量过高，会减少粉煤灰活性，直接影响使用效果。

   SO3含量影响混凝土强度增长极限和凝结时间，同步粉煤灰中SO3含量过多还也许导致硫酸盐侵蚀。

（2）水泥：

混凝土强度级别不大于C30时，选用32．5或42．5普通硅酸盐水泥；混凝土强度级别不不大于C30时，选用42．5或52．5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

   （3）黄砂：

满足Ⅱ类砂规定条件下，优先选取级配良好江砂或河砂。

由于江砂或河砂含泥量少，砂中石英颗粒含量较多，级配普通都能满足规定。

山砂中含泥量较大，且具有较多风化颗粒，普通不能使用。

砂细度模数控制在2．43．0，其中C50混凝土用砂细度模数宜控制在2．6—3．0，因细度模数不大于2．5时，C50混凝土拌和物显得太黏稠，施工中难于振捣，泵送较困难。

砂细度模数不不大于3．0时，容易引起新拌混凝土在运送浇筑过程中离析及保水性能差，从而影响混凝土内在和外观质量。

   （4）碎石：

粗集料强度、级配、颗粒形状、表面特性、杂质含量、吸水率对混凝土强度及耐久性有着重要影响。

所用碎石应满足Ⅱ类碎石技术规定。

碎石压碎值普通被用来间接地鉴定岩石强度，混凝土强度级别与岩石抗压强度及碎石压碎值关系见表2。

   碎石宜选取持续级配碎石，单粒级碎石易引起混凝土离析。

C40如下混凝土宜选取最大粒径不不不大于31．5mm碎石，粒径过大会引起混凝土在运送、浇筑过程中离析。

C40以上混凝土，碎石最大粒径不适当不不大于25mm。

由于C40以上混凝土（特别是C50混凝土）水泥浆较富余，而大粒径集料比同质量小粒径集料表面积小，其与砂浆粘结面积小，粘结力低且混凝土均质性差，因此用大粒径集料不也许配制出高强度混凝土。

   粗集料颗粒形状、表面特性对混凝土粘结性能有一定影响，特别是对C50混凝土影响较大，宜选取表面粗糙多棱角，颗粒近似立方体碎石。

C40如下混凝土中针片状碎石总含量应不超过15%，在C50混凝土中不适当超过8%。

   外加剂：

普通选用高效减水剂、高效缓凝减水剂、高效早强减水剂，如NF、UNF、JC等。

   高效减水剂同步具备增长混凝土强度和流动性作用。

掺高效减水剂混凝土坍落度损失普通较快，施工时最佳采用后掺法，这样可提高高效减水剂减水作用，使混凝土流动性增长。

在温度低于8~10℃时，高效减水剂虽能增长和易性，但增长强度作用大大减少，因此高效减水剂宜在春秋季节使用。

   高效缓凝减水剂有助于控制水泥初期水化，使混凝土拌和物坍落度损失小。

普通来说，掺量大时凝结时间相应增长，但掺量过大会减少初期强度，普通依照施工季节调节掺量。

高效缓凝减水剂宜在夏季或构造复杂、配筋密集构件中使用，这样可避免形成冷缝，以便施工安排。

   高效早强减水剂普通在冬季使用，能提高混凝土初期强度，使用时要慎重，由于高效早强减水剂能加快初期强度发展，但混凝土后期强度普通会减少。

试配时要认真做好验证工作。

2粉煤灰混凝土配合比设计

   粉煤灰混凝土配合比设计，以基准混凝土配合比为基本，按等稠度、等强度原则，用超量取代法进行调节。

粉煤灰混凝土配合比设计重要目是拟定一种经济混合材料最佳组合，重要设计手段是通过实验、试配来完毕。

设计办法如下：

依照混凝土设计强度，计算试配强度如式

（1）：

   式中：

一混凝土施工配制强度，MPa；

一混凝土设计强度，MPa；

一施工单位混凝土强度原则差。

   无近期同一品种混凝土强度资料时，混凝土强度级别分别为低于20、20~35和不不大于35时，其强度原则差

分别可取4．0、5．0和6．0。

   拟定基准配合比。

其办法与普通混凝土配比设计办法相似，即拟定水灰比，用水量及水泥用量，砂率；用绝对体积法计算出砂、石用量。

   选取粉煤灰取代水泥百分率

值如表3所示。

   普通C30如下混凝土，取代率选取10%一15%（水泥为普通硅酸盐水泥）；C40以上混凝土，特别是有初期强度规定期，取代率不超过10%。

   计算每立方粉煤灰普通混凝土水泥用量（C）见式

（2）。

   式中：

Co—基准混凝土水泥用量，kg；

一粉煤灰取代水泥百分率。

   拟定粉煤灰超量系数，如表4所示。

   普通：

C30如下混凝土用Ⅱ级灰时，超量系数取1．5或1．6。

C40以上混凝土用I级灰时，超量系数取1.3或1．4。

每立方混凝土中粉煤灰用量（F）按式（3）计算：

   式中：

—粉煤灰超量系数。

    用绝对体积法求出粉煤灰超过水泥体积，按粉煤灰超过体积，扣除同体积细料用量，碎石用量不变。

混凝土中砂用量S按式（4）计算。

   式中：

So一基准配合比砂用量；

            Ps一砂相对密度；

           Co一基准混凝土水泥用量；

           C一粉煤灰混凝土中水泥用量；

           Pc一水泥相对密度；

           F一粉煤灰混凝土中粉煤灰用量；

           PF一为粉煤灰相对密度（普通取2．2g／cm3）。

   粉煤灰混凝土用水量，按基准配合比用水量选用。

   依照计算得到粉煤灰混凝土配合比，在试配保证和易性、水灰比不变基本上，进行配合比试拌调节。

依照调节后配合比，拟定为粉煤灰混凝土理论配合比。

3粉煤灰混凝土施工注意事项

（1）对每批进入施工现场粉煤灰均需认真检查，测定粉煤灰细度、烧失量、需水量比等。

（2）掺粉煤灰混凝土，施工中拌和时间要比基混凝土延长30S，以便混凝土拌和均匀。

   （3）对的振捣，避免过振引起混凝土表面形成浮浆层。

同步，须保证振捣密实，保证构件外观质量与内在质量。

   （4）加强粉煤灰混凝土养护，保持混凝土表面湿润，普通潮湿养护14d，热天或干燥气候潮湿养护不得少于21d。

   （5）对初期强度规定高构件，冬季施工不适当采用粉煤灰混凝土配合比。

由于冬季气温低，不利于粉煤灰火山灰反映。

4不同强度级别混凝土参照配比

   各强度级别粉煤灰混凝土与普通混凝土参照配合比见表5。

   表5中水泥为金猫水泥厂P．042．5水泥；粉煤灰C25、C30为Ⅱ级灰，C40、C50为I级灰。

减水剂为JC一3型。

黄砂满足Ⅱ类砂规定，C25、C30用砂细度模数为2．50，C40、C50用砂细度模数为2．70；碎石满足Ⅱ类碎石规定，粒径为5—25mm持续级配。

C25基一1、C25粉一1为钻孔灌注桩混凝土配合比，别的为泵送混凝土配合比。

用于水泥混凝土粉煤灰技术规定

1.4用于水泥混凝土粉煤灰技术规定

　　按照国标《用于水泥和混凝土中粉煤灰》（GB/T1596－），拌制混凝土用粉煤灰分为F类粉煤灰和C类粉煤灰两类。

F类粉煤灰是由无烟煤或烟煤煅烧收集，其CaO含量不不不大于10%或游离CaO含量不不不大于1%；C类粉煤灰是由褐煤或次烟煤煅烧收集，其CaO含量不不大于10%或游离CaO含量不不大于1%，又称高钙粉煤灰。

　　F类和C类粉煤灰又依照其技术规定分为I级、II级和III级三个级别。

混凝土用粉煤灰技术规定可见表2。

表2拌制混凝土用粉煤灰技术规定                                      

技术规定（不不不大于/%）

I级

II级

III级

       细度（45um方孔筛筛余）

（不不不大于/%）

F类粉煤灰

12.0

25.0

45.0

C类粉煤灰

需水量比，不不不大于/%

F类粉煤灰

95.0

105.0

115.0

C类粉煤灰

烧失量，不不不大于/%

F类粉煤灰

5.0

8.0

15.0

C类粉煤灰

含水量，不不不大于/%

F类粉煤灰

1.0

C类粉煤灰

三氧化硫，不不不大于/%

F类粉煤灰

3.0

C类粉煤灰

游离氧化钙，不不不大于/%

F类粉煤灰

1.0

C类粉煤灰

4.0

 安定性（雷氏夹沸煮后增长距离）

不不不大于/mm

F类粉煤灰

5.0

C类粉煤灰

与F类粉煤灰相比，C类粉煤灰普通具备需水量比小、活性高和自硬性好等特性。

但由于C类粉煤灰中往往具有游离氧化钙，因此在用作混凝土掺合料时，必要对其体积安定性进行合格检查。

　　混凝土工程选用粉煤灰时，应按《粉煤灰混凝土质量技术规范》（GBJ146－90）。

对于不同混凝土工程，选用相应级别粉煤灰：

（1）I级灰合用于钢筋混凝土和跨度不大于6m预应力钢筋混凝土；

（2）II级灰合用于钢筋混凝土和无筋混凝土；

　　（3）III级灰重要用于无筋混凝土；但不不大于C30无筋混凝土，宜采用I、II级灰；

　　（4）用于预应力混凝土、钢筋混凝土及设计强度级别C30及以上无筋混凝土粉煤灰级别，如实验论证，可采用比上述三条规定低一级粉煤灰。

粉煤灰在混凝土中基本效应

1.5粉煤灰在混凝土中基本效应

　　粉煤灰在水泥混凝土中重要有三个基本效应,即形态效应、火山灰效应和微集料效应。

控制这三个效应向有利方向发展，即可利废为宝、改进混凝土性能。

（1） 形态效应

　　粉煤灰形态效应，重要是指粉煤灰颗粒形貌、粗细、表面粗糙限度等特性在混凝土中效应。

粉煤灰微珠颗粒可以起到滚珠作用，减少混凝土拌和内摩擦力而提高流动性。

粉煤灰密度不大于水泥，因而等量代替后可增长浆体体积，从而改进对粗细集料润滑限度，也有助于提高混凝土拌合物流动性。

此外，还可以提高混凝土匀质性、粘聚性和保水性。

　　劣质粉煤灰由于具有较多不规则多孔颗粒和未燃尽碳，而导致需水量增长和保水性变差，对混凝土带来负面效应。

（2）火山灰效应（活性效应）

　　粉煤灰属于活性矿物掺合料。

粉煤灰中具有玻璃态氧化硅和氧化铝属于活性氧化硅和活性氧化铝，它们可以与水泥水化生成氢氧化钙和水发生水化反映（该水化反映亦称二次反映），生成具备水硬性特点水化硅酸钙、水化铝酸钙等，并填充于毛细孔隙内。

这些水化产物同样具备强度，特别是水化硅酸钙，该水化反映在28d时较弱，特别是在7d以内，而在28d后来逐渐明显。

粉煤灰细度越大，即颗粒越小，活性越高，水化反映能力越高;温度越高水化反映能力越强，强度增长越快。

当温度低于5时该水化反映基本停止，强度发展缓慢.

火山灰效应可以提高混凝土后来强度，后来强度要高于不掺粉煤灰混凝土，且龄期越长该差别越大。

因而对初期承载能力规定不大工程可运用其60d、90d、180d时强度。

（3）微集料效应

　　粉煤灰微珠具备极高强度，其填充在水泥颗粒间空隙，既减少了毛细孔隙，又起到了微骨架作用。

随水化不断进行，粉煤灰水化产物与未水化粉煤灰内核粘结力不断提高，这也有助于提高粉煤灰微集料效应。

　　除上述三个基本效应外，粉煤灰尚有许多其他效应，如免疫效应（抑制碱集料反映效应、提高耐腐蚀性效应等）、减热效应（降温升效应）、泵送效应等，但是这些效应都离不开上述三个基本效应。

粉煤灰物理性质

1.2   粉煤灰物理性质

　　粉煤灰比重在1.95～2.36之间，松干密度在450kg/m3～700kg/m3范畴内，比表面积在220kg/m3～588kg/m3之间。

由于粉煤灰多孔构造、球形粒径特性，在松散状态下具备良好渗入性，其渗入系数比粘性土渗入系数大数百倍。

粉煤灰在外荷载作用下具备一定压缩性，同比粘性土其压缩变形要小多。

粉煤灰毛细现象十分强烈，其毛细水上升高度与压实度有着密切关系。

　　粉煤灰是一种高度分散微细颗粒集合体，重要由氧化硅玻璃球构成，依照颗粒形状可分为球形颗粒与不规则颗粒。

球形颗粒又可分为低铁质玻璃微珠与高铁质玻璃微珠，若据其在水中沉降性能差别，则可分出飘珠、轻珠和沉珠；不规则颗粒涉及多孔状玻璃体、多孔碳粒以及其她碎屑和复合颗粒。

　　通惯用扫描电镜来观测粉煤灰颗粒形貌。

扫描电镜可以观测到粉煤灰绝大某些粒径范畴，可以从1μm到400μm。

通过电镜可以观测到，小颗粒粉煤灰表面为表面光滑球形颗粒，较大颗粒粉煤灰（＞250μm）形状则不规则。

图1是一组粉煤灰颗粒形貌电镜照片，（a）为低钙粉煤灰，（b）为高钙粉煤灰，比较之下，高钙粉煤灰颗粒表面粘附有诸多微粒，而低钙粉煤灰表面则显得比较光滑。

     　　　　　　（a）低钙粉煤灰                                   　　　　（b）为高钙粉煤灰

图1粉煤灰颗粒形貌扫描电镜图片

粉煤灰产生

　　粉煤灰是从煤粉炉排出烟气中收集到细颗粒粉末，是工业“三废”之一。

锅炉在操作时，煤粉与高速气流混合在一起，喷入炉膛燃烧带中，使煤粉颗粒里有机物质得到充分燃烧，但燃烧完全限度取决于锅炉效率和操作水平，炉膛温度普通是很难测准，运营良好当代化电厂煤粉炉炉膛最高温度也许达到或超过1600℃，足以使灰分中除了少量石英（细粒结晶）以外所有矿物所有熔融。

可是多数旧电厂锅炉实际燃烧温度要比上述温度低得多，在较低温度下，只能熔融一小某些无机物质，并且炉膛温度并不是十分均匀，因而虽然在同一锅炉中，粉煤灰烧成条件也不相似，更不必说不同锅炉了。

在燃烧过程中，煤炭中无机杂质也发生了一系列反映和变化，涉及达到不同温度时，含水矿物如粘土、石膏等一一脱水，碳酸盐中二氧化碳与硫化物中三氧化硫排出，尚有碱在高温下也要挥发，其中较细粒子随气流掠过燃烧区，及时熔融，到了炉膛外面，受到骤冷，就将熔融时由于表面张力作用形成圆珠形态保持下来，成为玻璃微珠，煤粉粒子越细，越容易成球。

其中有些熔融微珠内部，截留了炉内气体，形成了空心微珠。

另有某些微珠，团聚在一起或粘连在一起，就形成鱼卵状复珠（即子母珠）和粘连体，也有某些来不及完全变成液态粗灰，成果变成了渣状多孔玻璃体（海绵状玻璃）。

在冷却过程中也有某些冷却比较缓慢而再结晶矿物以及在颗粒表面上生成结晶矿物、化合物和独自存在未熔融石英等矿物。

从煤块磨成煤粉，把本来团聚矿物磨粹，因而每一颗煤粉粒子矿物成分也是不同，燃烧后来，每一粒粉煤灰成分固然也不也许相似，因此粉煤灰化学成分分析也只能是表达粉煤灰中各种颗粒混合物化学成分平均值。

粉煤灰化学成分与矿物构成

1.3粉煤灰化学成分与矿物构成

　　粉煤灰是一种火山灰质材料，来源于煤中无机组分，而煤中无机组分以粘土矿物为主，此外有少量黄铁矿、方解石、石英等矿物。

因而粉煤灰化学成分以二氧化硅和三氧化二铝为主（氧化硅含量在48%左右，氧化铝含量在27%左右），其他成分为三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠、三氧化硫及未燃尽有机质（烧失量）。

不同来源煤和不同燃烧条件下产生粉煤灰，其化学成分差别很大。

表1国内31个有代表性火力发电厂粉煤灰化学成分

成分

SiO2

Al2O3

Fe2O3

CaO

MgO

K2O

Na2O

SO3

I.L

变化范畴

33.9～59.7

16.5～35.4

1.5～19.7

0.8～10.4

0.7～1.9

0.6～2.9

0.2～1.1

0～1.1

1.2～23.6

平均值

50.6

27.1

7.1

2.8

1.2

1.3

0.5

0.3

8.2

　　粉煤灰以玻璃质微珠为主，另一方面为结晶相，重要结晶相为莫来石、磁铁矿、赤铁矿、石英、方解石等。

玻璃相是粉煤灰重要结晶相，粉煤灰玻璃质微珠及多孔体均以玻璃体为主，玻璃体含量为50%～80%，玻璃体在高温缎烧中储存了较高化学内能，是粉煤灰活性来源。

莫来石是粉煤灰中存在二氧化硅和三氧化二铝在电厂锅炉燃烧过程中形成。

SEM下偶尔可以见到莫来石针状形集合晶体，莫来石含量在1.3%～3.6%之间，其变化与煤粉中三氧化二铝含量及煤粉燃烧时炉膛温度等诸多因素关于。

磁铁矿和赤铁矿是粉煤灰中铁重要赋存状态，普通磁铁矿含量较高。

石英为粉煤灰中原生矿物，常呈棱角状，不规则粒径，含量不高。